三维磁性光子晶体的制备与表征

YIG(BFO)原料
YIG(BFO)凝胶 溶液
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Vera V. Abramova et al., J. Mater.Chem. C, 2013, 1,2975

表征：
纯净BFO和YIG 无杂相YFeO3 and α-Fe2O3
A为BFO，B为YIG
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A-C 为BFO， D-E 为YIG
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光反射率随光入射角的变化谱 A为BFO；B为YIG 角度表示与法线的夹角
溶解， 震荡
Bi:YIG前驱凝胶 溶液
成品
750 ℃空气中退火
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M Inoue et al.,J.Phys.D:Appl.Phys,2006,39,R151

表征
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M Inoue et al.,J.Phys.D:Appl.Phys,2006,39,R151

样品：蛋白石中间夹一层Bi:YIG
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垂直沉积自组装


该法是将一基底垂直浸入到胶 体粒子分散介质中,在恒定温度 下,溶剂不断蒸发,溶剂表面下 降,在下降过程中胶体粒子在毛 细力的作用下自发地组装到基 底表面形成有序阵列（fcc）， 这种方法得到的有序结构缺陷 少,但组装的时间较长,薄膜的 厚度会因胶体粒子浓度的变化 而不同。通常在制备过程中,由 沉降导致形成的胶体溶液自上 而下的浓度梯度,使薄膜由上到 下厚度逐渐增加。
2、蛋白石（opal）结构
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3、木堆积结构（woodpile）
4、矩形螺旋结构
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自然界中的光子晶体
孔雀羽毛 蝴蝶翅膀
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三维光子晶体的制备方法简介




制备方法分为三种：自下而上法、自上而下法和 模板法。 自下而上法（自组装法）： 自组装的对象：单分散胶体微球（SiO2、PS、 PMMA） 自组装的方法：重力沉积自组装、人工外场自组 装、垂直沉积自组装。 自组装法成品：蛋白石结构三维光子晶体
光子禁带有完全带隙和不完全带隙之分：所 谓完全带隙是指光在整个空间的所有传播方 向上都有带隙,且每个方向上的带隙位置一致 相互重叠；不完全带隙(方向带隙)指的是相应 于空间各个方向上的带隙并不完全重叠,或只 在特定的方向上有带隙。
反蛋白石（inverse opal）结构
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磁性光子晶体 （Magnetophotonic Crystals,MPC）
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应用
• 光子晶 体微腔 • 光子晶 体光纤
激光 技术
通信
量子 计算
• 光子晶体器 件（光开关、 放大器）
光学 元件
• 光子晶体 反射镜
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几种光子晶体典型的结构


1D：层状光子晶体： GaAs/GaAlAs或GaAs/空 气 2D：光子晶体光纤
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3D光子晶体结构
1、Yablonovitch结构光子晶体
表征：
a为Fe2O3复制体 b为400度下还原得到的Fe3O4复制体 c为500度下还原得到的Fe3O4复制体 B中宽峰：由于还原温度低而产生的非 晶相的影响
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Fe2O3
Fe3O4
原模板
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蝴蝶翅膀原模板的反射谱
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Fe2O3反射谱（未加磁场）
Fe3O4反射谱（未加磁场）
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EMF=external magnetic field
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自上而下法

离子束刻蚀、全息干涉刻蚀法、 双光子聚合法、层层堆积法、 自复制法、倾角沉积法。
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模板法
理论研究表明,蛋白石结构不具备完全光 子带隙,为了得到完全光子带隙结构,人们 提出了反相蛋白石结构。原蛋白石选材 局限，我们可以另外选择折射率高的材 料去代替它。 先以蛋白石结构的光子晶体(胶体晶体)为 模板,在胶体球间的空隙填充其它高折射 系数的材料如:金属、金属氧化物、铁电 材料、半导体材料、聚合物材料等。当 有机材料或无机材料填充进胶体晶体模 板后,可以根据模板及填充物的种类,选择 性刻蚀胶体晶体模板,就得到了高折射系 数材料的反相蛋白石结构。 填充的方式有很多:化学反应法（sol-gel 法）、CVD法、电化学沉积、沉浸法、 电泳沉积等。
A为理论计算BFO的光子能带图； B为950nmPS微球制备的BFO 样品SEM图；C为L到U段能带 放大图；D为B图中样品的光反 射率随光入射角的变化谱。
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Peng wenhong et al., Adv. Funct. Mater, 2012, 22, 2072–2080 & Peng wenhong et al., Nanoscle, 2014, 6,6133

是什么？ 由磁性材料构成的光子晶体或引入磁性缺陷的光子晶体 ——M Inoue etal.,J.Phys.D:Appl.Phys.2006


磁性材料构成的光子晶体：整体由磁性材料构成； 空隙填充磁性材料…… 引入磁性缺陷：附着上磁性纳米颗粒（Ni、 CoFe2O4）；磁性材料夹层……
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光子禁带的理论解释
电子在晶格中的定态方程：
2
[
这里
2m
V( r )] ( r ) E ( r )
2
V( r ) V( r l )
波函数的解具有Bloch波的形式


( r ) uk ( r ) e
Байду номын сангаас形成能带结构


ik r
4
推广至电磁波在周期性介电结构传播
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Vera V. Abramova et al., J. Mater.Chem. C, 2013, 1,2975


样品：a.反蛋白石结构BFO（BiFeO3） b.反蛋白石结构YIG（Y3Fe5O12） 制备方法：
800nm,PS微球 组装的蛋白石结 构薄膜 成品 空气中退火
浸入后保持 50℃30min， 并重复2-3次
Maxwell 方程组：
B E , B 0 t
导出介质中的矢量波方程：
D H j, D t
1 2 E 1 1 ( E ) 0 2 2 c t (r) (r)
这里考虑非磁性材料，将上式化成定态方程：
1 2 E (r) 2 E (r) (r) c


样品：以蝴蝶翅膀为模板所制备出的Fe2O3 光子晶体和Fe3O4 磁性 光子晶体 制备过程：
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Peng wenhong et al., Adv. Funct. Mater, 2012, 22, 2072–2080 & Peng wenhong et al., Nanoscle, 2014, 6,6133
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M Inoue et al.,J.Phys.D:Appl.Phys,2006,39,R151

样品：SiO2蛋白石，空隙中填充Bi掺杂YIG（ Bi0.5Y2.5Fe5O12 ） 制备方法：
原料（SiO2 胶体微球） 垂直沉积 自组装法
SiO2蛋白石结 构光子晶体
浸没 让凝胶充分填充
Bi(NO3)3， Y(NO3)3， Fe(NO3)3
解释：微观结构在磁场作用下 发生了扭曲
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总结



三维磁性光子晶体制备可以用模板法实现 光子带隙的表征包含两个方面：带隙的位置和带 隙的宽度。 影响带隙最主要的两个因素：微观结构周期常数 和材料的折射率 三维磁性光子晶体还有很多未研究透彻的性能： 磁光调控、法拉第偏向角等
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这里有
(r ) (r d)


5
解也具有Bloch波的形式：
E ( r ) uk ( r ) e


ik r
n
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1、带隙宽度受许多因素的影响，其中之一就是 n1 / n2 或 1 / 2 比值。例：GaAs/GaAlAs多层结构 1 / 2 为 13/12，而将GaAlAs换成空气层，1 / 2 为13，这时 带隙明显增大。 2、带隙出现的位置和结构周期常数d和材料n有关。 3、讨论周期结构中波的传播问题，要考虑到调谐条件： 行波的波长接近物质的周期尺寸，否则难以观测到显 著的波行为。例：微波（>0.1mm）对应的光子晶体原 胞尺寸较大，容易制备。而可见光波段（400-760nm） 对应晶体原胞尺寸较小，这就是当前制备问题的难点。 注意：晶格常数a~0.1nm,对比这里光子晶体原胞尺寸 （一般为102-103nm量级）. 4、带隙作用：局限特定波长的光；调控具有特定波长 的光路。
三维磁性光子晶体的制备与表征
报告人：孙远
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光子晶体
• • • • 概念和基本特征 光子禁带的产生和解释 光子晶体的典型结构 三维光子晶体的制备方 法简介
磁性光子晶体
• 概念 • 制备与表征
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光子晶体

一、概念与基本特征： 从固体物理学中我们得知,电子在周期性势场中传播时,受布拉格散射 (Bragg scattering)调制作用,会形成能带结构,能带之间可能存在带隙。 能量处于带隙中的电子在整个系统中不会存在,也就无法传播。 其实,不论任何波,只要受到周期性调制,都会出现能带结构,也都有可能 出现带隙。能量落在带隙中的波是禁止传播的,作为矢量波的电磁波也 不例外。 如果将不同介电常数的介电材料按照一定的规则周期性排列,电磁波在 其中传播时由于布拉格散射,电磁波会受到调制而形成能带结构,这种能 带结构叫做光子能带(Photonic band)。光子能带之间可能出现带隙,即 光子带隙(Photonic band-gap,简称PBG)。具有光子带隙的周期性介电 结构就是光子晶体（Phtonic Crystals）,或叫做光子带隙材料 (Photonic bandgap materials),
制备与表征
• 蛋白石结构模板（垂直沉积自组装） • 其他
• Sol-gel法 • YIG、BFO、Fe3O4等 • 具体问题具体分析
制备模板
填充磁性 材料
去除模板
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性能表征： 1、光子带隙表征： 反射光谱（正向峰）/透射光谱（反向峰） 2、磁光克尔效应
磁性光子晶体因 其光子禁带的存 在，对光有局域 的作用，导致法 拉第偏向角增大。 但此性能表征多 见于一维、二维 MPC，而对于 三维MPC鲜有 报道。